Aplicação de ferramentas simplificadas de projeto voltadas ao desempenho térmico em uma habitação de interesse social

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1 2º. Simpósio Brasileiro de Qualidade do Projeto no Ambiente Construído 03 e 04 de Novembro de 2011 Rio de Janeiro, RJ Brasil Aplicação de ferramentas simplificadas de projeto voltadas ao desempenho térmico em uma habitação de interesse social Application of simplified design tools focused on the thermal performance in a lowincome house Tássia Helena Teixeira Marques Mestranda do Instituto de Arquitetura e Urbanismo de São Carlos, USP tassia.marques@usp.br CV Lattes: Rosilene Regolão Mestranda do Instituto de Arquitetura e Urbanismo de São Carlos, USP rosilene@sc.usp.br CV Lattes: Karin Maria Soares Chvatal Professora Doutora do Instituto de Arquitetura e Urbanismo de São Carlos, USP karin@sc.usp.br CV Lattes: RESUMO Este trabalho se propõe a avaliar o conforto térmico de um modelo de residência de interesse social existente na cidade de São Carlos (SP), através do uso de uma série de ferramentas simplificadas que fornecem resultados tanto qualitativos quanto quantitativos, verificando a adequabilidade dos elementos do edifício que interferem no desempenho térmico e utilizando os conceitos de conforto térmico na proposição de mudanças ao projeto. Inicialmente foi feita a análise bioclimática da cidade em que o projeto se insere, visando identificar diretrizes construtivas de acordo com o clima local. Foram então realizadas análises e avaliações do projeto e entorno, considerando os seguintes aspectos: insolação, ventilação, materiais opacos e tamanho de aberturas, tendo em vista as diretrizes obtidas anteriormente. Com isso, a pesquisa busca demonstrar a utilização de ferramentas simplificadas de análises quantitativas e qualitativas para otimizar o desempenho térmico de projetos não complexos, como habitações sociais. Através do uso dessas ferramentas, pode-se incorporar ao projeto medidas simples e de baixo custo para melhorar o conforto térmico, trazendo bem-estar aos usuários e reduzindo o consumo de energia. Este tipo de análise pode ser aplicado também para a adequação bioclimática de edifícios multifamiliares, garantindo uma igualdade de condição térmica a todas as unidades sem que isso implique necessariamente em diferentes custos para cada uma. Palavras-chave: Conforto térmico. Ferramentas de projeto. Habitação social /sbqp

2 ABSTRACT This study evaluates the thermal comfort in a low-income house model in São Carlos city (SP) by using a series of simplified tools that provide both qualitative and quantitative results. The suitability of the building elements that influenced the thermal performance was verified utilizing the concepts of thermal comfort to propose changes to the project. Initially, the bioclimatic analysis of the city was carried out to identify constructive guidelines according to the local climate. The analysis and evaluation of the project and its surroundings were then performed, considering the following aspects: sunshine, ventilation, opaque material and size of openings in view the guidelines previously obtained. The research aims to demonstrate the use of simplified tools for quantitative and qualitative analysis to optimize the thermal performance of non-complex projects, as low-income houses. The use of these tools allows incorporating simple and inexpensive measures to the design to improve thermal comfort, providing welfare to users and reducing energy consumption. This type of analysis can also be applied to bioclimatic suitability of multifamily buildings, ensuring an equal thermal condition without necessarily implying different costs for each unit. Key-words: Thermal comfort. Design tools. Low-income house 1 INTRODUÇÃO A arquitetura deve possibilitar às pessoas a adaptação ao meio ambiente através da construção de abrigos adequados às suas necessidades. Dessa forma, uma função importante da arquitetura é a de oferecer condições térmicas compatíveis ao conforto térmico humano no interior dos edifícios, sejam quais forem as condições climáticas externas (FROTA, A. B.; SCHIFFER, S. R., 2001, p.15). Em linhas gerais, o conforto térmico de uma edificação depende das condições de implantação, orientação, da insolação tanto do edifício como um todo quanto de seus ambientes de maior permanência e do entorno, da ventilação, e dos materiais opacos e transparentes e das trocas de calor que ocorrem através deles. É a ação conjunta desses fatores que configuram o desempenho térmico do edifício, e não a aplicação de soluções voltadas à apenas um desses aspectos. E para que tais elementos sejam considerados na concepção do edifício, ferramentas de projeto devem ser utilizadas como meio de simular as condições dos materiais, forma, insolação e entorno, apresentando-se ao projetista como instrumentos de apoio à tomada de decisão. Nesse processo, é fundamental que o arquiteto ou projetista tenha à disposição ferramentas simplificadas que permitam um fácil manuseio e análise de resultados, alcançando bom desempenho com pouco conhecimento especializado. É o caso das ferramentas qualitativas e quantitavivas utilizadas neste trabalho, como a carta solar (FROTA; SCHIFFER, 2001; OLGYAY, 1973), a NBR : Zoneamento bioclimático brasileiro e diretrizes construtivas para habitações unifamiliares de interesse social (ABNT, 2005), o Método de Mahoney (UNITED NATIONS, 1971), além de programas computacionais gratuitos e de uso simples como o Analysis Bio (LABEEE, 2009) e o Google SketchUp (GOOGLE, 2010). A carta solar, por exemplo, é uma ferramenta tradicional de projeto, da qual fazem uso grandes arquitetos como João Filgueiras Lima, o Lelé (LUKIANTCHUKI, 2010), e Severiano Porto (MACIEL, 2006). Outra ferramenta que fornece importantes diretrizes construtivas, apesar de não ser tão tradicional, é a NBR (ABNT, 2005), voltada à habitações unifamiliares de interesse social, onde são indicados o tamanho e necessidade de proteção 121

3 das aberturas, o tipo de vedação externa e as estratégias de condicionamento térmico passivo para cada zona bioclimática brasileira. Lembrando que normas técnicas estabelecem critérios mínimos de desempenho e, na maioria dos casos, devem estar atreladas à uma análise crítica do projetista, valendo-se do bom senso do arquiteto ou engenheiro responsável. As ferramentas usadas neste trabalho servem como uma primeira aproximação à análise de conforto térmico, e podem ser úteis em projetos simples, como é o caso de habitações de interesse social, onde o uso de ferramentas complexas torna-se inviável. Já para projetos de maior complexidade é necessário utilizar programas mais sofisticados que forneçam dados de maior precisão. Com a proximidade da instituição de dispositivos que obriguem um desempenho térmico mínimo para as habitações o RTQ-R: Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edificações Residenciais (INMETRO, 2010), e a possibilidade de acionamento por parte dos usuários das Normas Técnicas de desempenho NBR15220 (ABNT, 2005) e a recente NBR15575 (ABNT, 2010) através do Código de Defesa do Consumidor, torna-se necessário que os projetistas levem em consideração esse aspecto de uma forma diferenciada. 2 OBJETIVOS Analisar o conforto térmico de um modelo de residência construída na cidade de São Carlos (SP), utilizando uma série de ferramentas disponíveis para análises qualitativas e quantitativas. Com isso, procura-se demonstrar a contribuição de ferramentas simplificadas para otimizar o desempenho térmico de projetos de baixa complexidade, como habitações sociais, difundindo seu uso. 3 MÉTODO DE PESQUISA Para caracterizar as diretrizes técnico-construtivas de projetos para a cidade de São Carlos (SP) a partir de suas condições climáticas, foram feitas análises em quatro ferramentas: o software ZBBR (RORIZ, 2004), o software Analysis Bio (LABEEE, 2009), o Método de Mahoney (UNITED NATIONS, 1971), e a Norma NBR : Zoneamento bioclimático brasileiro e diretrizes construtivas para habitações unifamiliares de interesse social (ABNT, 2005). O programa ZBBR (RORIZ, 2004) apresenta uma análise do clima de acordo com recomendações da norma NBR15220 (ABNT, 2005) e a carta bioclimática de Givoni (GIVONI, 1976). O programa Analysis Bio fornece uma análise do clima a partir da adaptação da carta bioclimática de Givoni (GIVONI, 1976). Já pelo método tradicional das Planilhas de Mahoney (UNITED NATIONS, 1971), a análise é feita a partir de três planilhas: uma é preenchida com os dados climáticos locais, outra determina a frequência dos indicadores do clima local, e a última aponta as recomendações para o projeto arquitetônico. Por sua vez, a NBR (ABNT, 2005) fornece uma classificação do território brasileiro em oito zonas de clima relativamente homogêneo (ABNT, 2005), baseando-se em uma carta bioclimática adaptada de Givoni (1976). A partir das diretrizes obtidas, foram então realizadas análises do projeto e entorno, considerando os seguintes aspectos: insolação, ventilação e materiais da envolvente (paredes, cobertura e janelas). O terreno e a implantação do projeto, inclusive as dimensões do lote (191,00 m²) e o muro que o circunda, apresentam-se como existentes na residência 122

4 unifamiliar utilizada como estudo de caso. A análise de insolação foi feita pela Carta solar (OLGYAY, 1973) e pelo programa Google SketchUp (GOOGLE, 2010). Quanto à utilização do SketchUp para representação de sombras projetadas em modelos virtuais, Cordeiro, Leder e Castro (2010) afirmam que a maquete eletrônica apresenta resultados muito próximos à sombra projetada em um modelo físico. A análise de ventilação foi feita a partir do estudo de posicionamento das aberturas em relação aos ventos predominantes; e as análises da envolvente foram conduzidas através da NBR (ABNT, 2005). A partir das análises efetuadas, foi feita uma avaliação do projeto e elaborado um quadro síntese para as propostas de adequação ao conforto térmico. O projeto analisado trata-se de uma residência unifamiliar de interesse social em São Carlos, SP. Com 44,95 m², a habitação conta com dois dormitórios (quarto 1 e quarto 2), uma sala, uma cozinha e um banheiro (ver Figura 1). É importante destacar que as análises foram feitas considerando a edificação implantada no lote e, portanto, considerando o muro que a cerca como elemento do entorno. 01: SALA 02: COZINHA 03: BANHEIRO 04: QUARTO 1 05: QUARTO 2 Figura 1. Implantação no lote e disposição dos ambientes da habitação unifamiliar analisada, com o diagrama solar e a direção preponderante dos ventos, escala 1:250 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1 Análise bioclimática da cidade de São Carlos, SP Após as análises efetuadas, foi elaborada uma tabela comparativa entre os quatro métodos pesquisados e as principais diretrizes obtidas: 123

5 Tabela 1. Comparações entre as ferramentas de análise bioclimática analisadas Segundo a NBR , a cidade de São Carlos situa-se na Zona Bioclimática 4. Pela Tabela 1, percebe-se que os principais pontos divergentes entre as ferramentas foram em relação às diretrizes dadas pelo Método de Mahoney para as áreas de abertura e para a inércia térmica das paredes. O Mahoney recomenda 25 a 40% da área da fachada com aberturas e envolventes de baixa inércia (contra 15 a 25% de área de abertura e paredes de alta inércia em outros métodos). A utilização desta metodologia, segundo Sena; Cheng e Harris (2003), resulta em indicações controversas para determinadas regiões, devido à falta de rigor térmico da análise na definição dos grupos climáticos. Esta questão, somada ao fato de que todos os outros métodos apresentaram recomendações similares ou complementares, e à alta amplitude térmica observada nesse clima (amplitude média no inverno de 12,9 C e no verão de 10 C), aspecto indicativo da necessidade de alta inércia, levaram à escolha das recomendações construtivas dos demais métodos, que serviram como balizamento para avaliar as ferramentas aplicadas ao projeto e foram os parâmetros para as mudanças propostas na residência unifamiliar. 4.2 Análise de insolação Para a análise de insolação foram realizados dois estudos: o primeiro através da Carta Solar (FROTA; SCHIFFER, 2001; OLGYAY, 1973), e o segundo através de simulação computacional no programa Google SketchUp (GOOGLE, 2010). No primeiro estudo, foi utilizada a Carta Solar para a latitude de 24 sul. Abaixo, temos o período de insolação para cada fachada e aberturas dos ambientes: 124

6 Tabela 2. Período de insolação em cada fachada Além da análise dos horários de insolação, foi feito também o cálculo do ângulo de incidência da radiação solar para o projeto pela carta solar. A altitude solar e o azimute calculados foram desenhados em um corte esquemático da edificação, para avaliação da proteção dada pelos beirais existentes. Constatou-se que as dimensões dos beirais 50 cm, não eram suficientes para barrar a radiação solar durante o verão. Assim, aumentou-se a extensão do beiral para 70 cm, que foram suficientes para bloquear a radiação no verão, ao passo que no inverno permitiram a entrada da insolação (Figura 2) SOLSTÍCIO DE INVERNO 10h/14h SOLSTÍCIO DE VERÃO 10h/14h a) Projeto original b) Projeto alterado Figura 2: Corte sem escala, indicando o ângulo de incidência da radiação solar nas aberturas com os beirais de 50 cm e de 70 cm Após a análise com a Carta Solar, foi feito um estudo de simulação computacional no Google SketchUp (GOOGLE, 2010) para verificação do sombreamento na residência, que confirmou o resultado de insolação obtido pela Carta Solar (Figura 3). Figura 3. Sombreamento na residência simulada no programa Google SketchUp Após estes estudos, verificou-se que os principais problemas eram: o muro construído nos limites do lote, sendo a edificação implantada adjacente a ele, e a orientação incorreta dos ambientes de maior permanência (quartos e sala). Como solução para essa questão, foi proposta a criação de um recuo de 1,50 m entre a residência e o muro, a substituição parcial do mesmo por uma cerca viva de vegetação caducifólia, de altura=2 m, amenizando a entrada da radiação solar no verão e permitindo a passagem de insolação durante o inverno, e a alteração das janelas dos dois quartos e sala para a fachada nordeste, que possui melhor insolação e pode ser então aproveitada com o distanciamento da fachada ao muro. A eficiência das distâncias propostas para o recuo e a 125

7 altura da cerca viva foram novamente verificadas no SketchUp. O novo posicionamento das janelas também foi de encontro às necessidades de ventilação natural, descritas a seguir. 4.3 Análise de ventilação A princípio, o projeto foi analisado um todo em relação à implantação e direção dos ventos predominantes, que em São Carlos é sentido nordeste, e tendo-se em conta a necessidade de ventilação cruzada, indicada no estudo do clima. Essa análise foi somente qualitativa, através dos desenhos representados na Figura 4, que indicam o possível trajeto percorrido pelo fluxo de ar quando o vento é o predominante. Esses desenhos foram elaborados a partir dos conceitos básicos relacionados ao movimento do ar encontrado na literatura. De forma alguma eles substituem uma análise através de ferramentas mais precisas, como por exemplo o túnel de vento ou programas de simulação. No entanto, conforme já citado anteriormente, podem fornecer uma boa aproximação para projetos simples, como os de habitação social. a) Projeto original b) Projeto alterado Figura 4. Ventilação no projeto original e no projeto alterado, esquema sem escala Na Figura 4(a) tem-se o projeto original e na 4(b) o projeto modificado a partir da análise da insolação (com recuo e com as janelas dos quartos a nordeste). Pode-se notar que o novo posicionamento das janelas permite que o ar circule mais entre os ambientes. Somente a sala ainda encontrava-se com ventilação deficiente, e para tal foram colocadas pequenas aberturas na fachada sudoeste, que viabilizaram a ventilação cruzada também nesse ambiente. Para esta nova posição de janela, foi realizado novo estudo de insolação através do Sketchup, e viu-se que o beiral fornecia sombreamento adequado para essa janela, no verão. Com relação ao tamanho das aberturas para ventilação, a NBR recomenda entre 15 e 25% da área do piso. Como as janelas originais forneciam apenas 50% de área útil para ventilação, seus valores encontravam-se abaixo do mínimo recomendado (Tabela 3). Dessa forma, pesquisou-se sobre esquadrias que pudessem promover maior ventilação ao estarem abertas, e cuja abertura pudesse ser controlada pelo usuário, tendo em vista a necessidade de ventilação seletiva nesse clima. Selecionamos para o projeto janelas pivotantes de eixo central vertical para a sala e cozinha, com variação gradativa da abertura, e para os dormitórios foram mantidas janelas de correr, porém foram ampliadas as dimensões dessas aberturas. Para o banheiro, optou-se pela janela maxim-ar com abertura de 90. As janelas da sala, com o novo modelo e com as aberturas criadas na fachada sudoeste, apresentaram dimensões adequadas (Tabela 3). 126

8 Tabela 3. Áreas das aberturas do projeto original e alterado em relação aos valores recomendados. Entretanto, é importante considerar que a aplicação da NBR deve ser feita criteriosamente, pois ela indica apenas porcentagens de área de abertura em relação à área do piso de cada ambiente, não fornecendo indicações precisas em relação ao entorno do edifício, à posição dessas aberturas e à direção dos ventos predominantes, conforme indicam alguns autores como Barroso-Krause, Bastos e Beck (2007). 4.4 Análise de materiais opacos Para a análise dos elementos opacos da habitação, foram calculados os valores da transmitância térmica, do atraso e do fator de calor solar para a parede exterior e a cobertura, conforme método de cálculo especificado na NBR : Métodos de cálculo da transmitância térmica, da capacidade térmica, do atraso térmico e do fator solar de elementos e componentes de edificações (ABNT, 2005). A parede do projeto original era a de tijolos cerâmicos de seis furos, tamanho 32x16x10cm, rebocado nas duas faces, sendo a espessura total da parede 14 cm. O fator de calor solar foi calculado para a cor branca. Em relação à cobertura, foi utilizada laje de concreto maciço de 10 cm, revestida internamente com argamassa, e cobertura em telhas cerâmicas. Comparando-se os valores calculados e os recomendados pela NBR para a zona bioclimática 4, viu-se que a transmitância e o atraso térmico não atendiam aos requisitos (Tabela 4) para a parede. Assim, fez-se necessário atingir valores adequados, principalmente em relação ao atraso térmico da parede. Optou-se então pela escolha de um novo tipo de parede externa, de alta inércia térmica. Foi escolhida a parede dupla de tijolos cerâmicos de 6 furos, assentados na menor dimensão, sendo a sua espessura total, 26 cm. Calculou-se então o novo valor de Fator Solar, mantendo-se a cor da pintura externa branca. Temos então uma situação em que todos os valores atendem à Norma (tabela 4): Tabela 4. Transmitância térmica, Fator Solar e Atraso térmico valores do projeto modificado e valores indicados pela NBR Destacamos que para o estudo não foi realizada a análise de materiais transparentes, uma vez que no projeto de uma habitação de interesse social não se justifica o uso de outro tipo de vidro a não ser o incolor. Além disso, a área com vidro das esquadrias não exercerá 127

9 influência significativa no comportamento da envoltória, pois as aberturas encontram-se orientadas corretamente quanto à insolação e protegidas quando necessário. 4.5 Projeto modificado A figura 5 apresenta o projeto resultante com todas as modificações acima propostas, indicadas na Tabela 5: Tabela 5. Resumo das análises feitas Figura 5. Planta final do projeto com as alterações propostas, escala 1:250 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS 128

10 A aplicação de ferramentas simples de análise bioclimática de projetos indicou a necessidade de modificação de algumas das características propostas inicialmente para a habitação social: mudança da implantação da edificação na lateral da divisa do lote, substituição parcial do muro por cerca viva, adoção de novo tipo de vedação externa vertical, alteração das características de suas aberturas (posição, tipo e tamanho) para permitir a ventilação cruzada e melhor insolação, e incorporação de elementos de vegetação em seu entorno. Pode-se notar que muitos problemas podem ser resolvidos através da aplicação de princípios do condicionamento térmico natural. A presença de ferramentas simples nos estágios iniciais de projeto pode ser de grande utilidade e praticidade, pois não demandam muitos recursos financeiros, de tempo ou de conhecimentos especializados para serem aplicadas. Assim, através do uso dessas ferramentas, pode-se incorporar ao projeto medidas simples e de relativo baixo custo para a melhora do desempenho térmico, aumentando o bem-estar dos usuários e contribuindo para a economia do consumo de energia. Este tipo de análise poderia ser aplicado também para melhorar a adequação bioclimática de edifícios multifamiliares no início do projeto. Cada unidade habitacional teria uma solução diferente que dependeria de sua implantação e orientação, garantindo-se dessa forma uma maior uniformidade das condições de conforto térmico de todas as habitações de um condomínio, sem haver necessariamente diferença nos custos para cada unidade. 6 REFERÊNCIAS ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15220: Desempenho Térmico de edificações. Rio de Janeiro, NBR 15575: Edifícios habitacionais de até cinco pavimentos Desempenho. Rio de Janeiro, BARROSO-KRAUSE, C.; BASTOS, L. E. G.; BECK, L. Estratégias da ventilação natural em edificações de interesse social e a norma ABNT : zoneamento bioclimático x potencial eólico brasileiro. In: ENCONTRO NACIONAL DE CONFORTO NO AMBIENTE CONSTRUÍDO, IX, ENCONTRO LATINO AMERICANO DE CONFORTO NO AMBIENTE CONSTRUÍDO, V, 2007, Ouro Preto. Anais...Porto Alegre: ANTAC, CD-ROM. CORDEIRO, A.; LEDER, S.; CASTRO, A. A precisão das ferramentas informatizadas de modelagem 3D na representação da sombra projetada em modelos virtuais. In: ENCONTRO NACIONAL DE TECNOLOGIA DO AMBIENTE CONSTRUÍDO, XIII, 2010, Canela. Anais...Canela: UFRGS, CD-ROM. FROTA, A. B.; SCHIFFER, S. R. Manual de conforto térmico: arquitetura, urbanismo. 5 ª ed. São Paulo: Studio Nobel, GIVONI, B. Man, climate and architecture. Londres: Applied Science Publisher, GOOGLE. Google SketchUp. Version 8. [S.l.]: Google, Disponível em: < Acesso em: 14 mar INMETRO - INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA, NORMALIZAÇÃO E QUALIDADE INDUSTRIAL. RTQ-R - Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética em Edificações Residenciais. Rio de Janeiro,

11 LABEEE - LABORATÓRIO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM EDIFICAÇÕES. Analysis Bio. Versão Florianópolis: LabEEE, Disponível em: < Acesso em 21 mar LUKIANTCHUKI, M. A. A evolução das estratégias de conforto térmico e ventilação natural na obra de João Filgueiras Lima, Lelé: Hospitais Sarah de Salvador e do Rio de Janeiro. Dissertação de Mestrado Programa de Pós-graduação em Arquitetura e Urbanismo. Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, MACIEL, A. A. Integração de conceitos bioclimáticos ao projeto arquitetônico. Tese de Doutorado Pós-Graduação em Engenharia Civil. Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, OLGYAY, V. Design with climate bioclimatic approach to architecture regionalism. New Jersey: Princeton University, SENA, C. B.; CHENG, L.; HARRIS, A. L. C. Estudo comparativo entre o método de Mahoney tradicional e o remodelado através da teoria dos sistemas nebulosos Parte 1. In: ENCONTRO NACIONAL SOBRE CONFORTO DO AMBIENTE CONSTRUÍDO, VII, 2003, Curitiba. Anais...Curitiba: Laboratório de Sistemas Técnicos, Pontifícia Universidade Católica do Paraná, CD-ROM. UNITED NATIONS. Design of low-cost housing and community facilities: climate and house design. Department of Economic and Social Affairs. New York, v.1, p 25-42, RORIZ, M. ZBBR: Zoneamento bioclimático do Brasil. Versão 1.1. São Carlos: Programa de Pós-Graduação em Construção Civil, UFSCar, Disponível em: < Acesso em 16 abr AGRADECIMENTOS Agradecimentos ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq, pela bolsa de Mestrado concedida a uma das autoras Tássia Helena Teixeira Marques. 130